(57)【要約】      （修正有）【課題】波向スペクトル及び表面波高を測定するために用いられる音響ドップラー流速計に関する。【解決手段】概ね平坦な水面を有する流動媒体内の波向スペクトルを測定するためのシステムは、個々の音響ビームを生成し、ビーム内に概ね配置される１以上のレンジセルからエコーを受信するための複数の探触子を有するソナーシステムを含んでもよく、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに対して、直交しない角度で生成される。本方法は、受信されたエコーから波に関連付けられる方向スペクトルを計算してもよい。【選択図】図１
2005265845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の音響探触子を用いて、流動媒体内の波スペクトルを計算する方法であって、
エコーが、前記探触子からの複数の音響ビームによって生成され、該複数の音響ビームのうちの少なくとも１つが、該複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに関し、直交しない角度で配置され、該ビームが、その中に少なくとも部分的に配置される少なくとも２つのレンジセルを有し、該エコーに関連付けられる信号が、複数の観測された周波数を示すデータを含む、少なくとも２つのレンジセル内で生成されるエコーを受信すること、
前記複数の観測された周波数毎に、
クロススペクトル行列を計算すること、
前記クロススペクトル行列を用いることにより、波向スペクトルをデータに適応して推定すること、及び
前記波向スペクトルを用いることにより非方向性の高さスペクトルを計算する、
ことを備える方法。
【請求項２】
完全な２次元の方向スペクトルを計算することをさらに備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記波向スペクトルをデータに適応して推定することは、最尤法及び反復最尤法のうちの少なくとも１つを実行することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記波向スペクトルをデータに適応して推定することは、反復固有ベクトル法を実行することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記直交しない角度は、２０度から４０度の範囲内の角度を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、概ね円形の音響ビームを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
概ね平坦な表面を有する流動媒体内の波向スペクトルを測定するシステムであって、
個々の音響ビームを生成し、該ビーム内に概ね配置される１以上のレンジセルからエコーを受信する複数の探触子を有し、該複数の音響ビームのうちの少なくとも１つが、該複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに関し、直交しない角度で生成されるソナーシステムと、
プロセッサによって実行され、前記受信されたエコーから波に関連付けられる方向スペクトルを計算するように構成され、該コンピュータプログラムが、更に、前記方向スペクトルの計算の一部として感度ベクトルを利用し、該感度ベクトルが、特定の深さにおける特定のビームからのレンジセル毎に１つの要素を含む、コンピュータプログラムと、
を備える波向スペクトルを測定するためのシステム。
【請求項８】
前記ソナーシステムは、広帯域音響ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記直交しない角度は概ね２０度である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記直交しない角度は２０度から４０度の範囲内の角度を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記受信されたエコーは、前記レンジセル内の流速に関係する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記探触子は、Ｊａｎｕｓ構成で配置される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記探触子は、フェーズドアレイ構成である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コンピュータプログラムはさらに、非方向性の高さスペクトルを計算するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コンピュータプログラムはさらに、
クロススペクトル行列を計算し、
該クロススペクトル行列、前記方向スペクトル及び前記感度ベクトルから２次元の方向スペクトルを計算するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１６】
前記流動媒体は水を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１７】
前記プロセッサは、前記ソナーシステムから独立している、請求項７に記載のシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサは前記ソナーシステムに含まれる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プロセッサはシグナルプロセッサを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項２０】
複数の音響探触子を用いて、流動媒体内の波向スペクトルを計算する方法であって、
複数の音響ビームのうちの少なくとも１つが、該複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに関し、直交しない角度で配置され、該ビームが、その中に少なくとも部分的に配置されるレンジセルを有する、前記複数の音響ビームを前記探触子から生成すること、
２つ以上の前記レンジセルを含むアレイ内で生成されるエコーを受信すること、
前記受信されたエコーを示す信号を処理すること、
感度ベクトルが前記信号、及び前記レンジセルのアレイの形状に基づいたデータから形成され、また該感度ベクトルが、１つの音響ビーム内の異なる深さにおける少なくとも２つのレンジセルのための要素を含んだ、感度ベクトルを記憶すること、及び
前記信号及び前記感度ベクトルに基づいて前記波向スペクトルを推定すること、
を備える方法。
【請求項２１】
前記直交しない角度は、１０度から８９度の範囲内の角度を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記直交しない角度は、２０度から４０度の範囲内の角度を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも部分的に前記方向スペクトルに基づいて非方向性のスペクトルを計算することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記受信されたエコーを示す信号の処理は、
前記受信されたエコーに関連付けられる生データを復号化すること、
前記レンジセルのそれぞれの位置及び向きを計算すること、
前記流動媒体内の流速の平均値を計算すること、及び
線形分散関係を数値反転することを備え、該線形分散関係は、波の周波数、水深及び波数を関連付ける、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記音響ビームのうちの少なくとも２つから少なくとも１つのレンジセルを選択すること、
前記選択されたレンジセル毎に複数の速度成分を計算すること、
前記速度成分毎に関連付けられる複数のフーリエ係数を計算すること、及び
前記複数のフーリエ係数から前記感度ベクトルを計算することを含む、前記感度ベクトルを生成することをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記方向スペクトルの推定は、
クロススペクトル行列Ｃを計算すること、
それぞれ観測された周波数において方向スペクトルを計算すること、
それぞれ観測された周波数において前記方向スペクトルを正規化すること、
前記正規化された方向スペクトルを用いて波の電力スペクトルを計算すること、及び
前記波の電力スペクトルを用いて前記正規化された方向スペクトルをスケーリングすることを備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記感度ベクトルは、表面高及び前記流動媒体内の圧力に対応する要素を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記方向スペクトルの推定は、前記受信されたエコーを示す前記信号の最尤処理を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記方向スペクトルの推定は、前記方向スペクトルから方向雑音成分をフィルタリングすることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記方向スペクトルからの方向雑音成分のフィルタリングは、方向に依存する閾値未満のスペクトル部分を除去することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記方向スペクトルの推定はさらに、反復最尤法（ＩＭＬＭ）処理を含む、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水中音響測定システムに関し、より詳細には、波向スペクトル及び表面波高を測定するために用いられる音響ドップラー流速計に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）は、既知の周波数の音を水中に発信し、水中で受動的に動いているものと推定される散乱体からの反射のドップラーシフトを測定することにより流速のプロファイルを得る計測器である。そのようなＡＤＣＰの１つが、参照により援用される、譲受人の米国特許第Ｒｅ．３５，５３５号に開示されている。海上作業台船及び港口のような応用形態において用いるために、そのような計測器は、作業台船あるいは杭から調べることによって、浅い場所の流速のプロファイルを求めることが望ましい。そのようなＡＤＣＰの１つが、参照により本明細書に援用される、譲受人の米国特許第６，０５２，３４４号に開示される。波動を測定するＡＤＣＰを適用するための場所は、外洋、内洋及び湖のような海水及び淡水の水域を含む。
【発明の開示】
【０００３】
本発明のシステム、方法及び装置はそれぞれいくつかの態様を有しており、そのうちの１つの態様だけがその望ましい属性を担うわけではない。より顕著な特徴がここで簡潔に説明されることになるが、添付の特許請求の範囲によって述べられるような本発明の範囲を制限するものではない。この説明を検討した後、特に[発明を実施するための最良の形態]の項を読んだ後に、例えば、作業台船及び港口のような場所からの改善された波のプロファイル測定を含む利益が、本発明の特徴によって如何にもたらされるかが理解されよう。
【０００４】
一実施形態は、複数の音響探触子を利用して、流動媒体内の波スペクトルを計算する方法である。その方法は、少なくとも２つのレンジセル内で生成されたエコーを受信することを含んでいる。それらエコーは、探触子からの複数の音響ビームによって生成される。複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに対して、直交しない角度に配置される。そのビームは、その中に少なくとも部分的に配置される少なくとも２つのレンジセルを有する。それらのエコーに関連付けられる信号は、複数の観測された周波数を示すデータを含んでいる。その方法はさらに、複数の観測された周波数の周波数毎に、クロススペクトル行列を計算すること、クロススペクトル行列を用いることにより波向スペクトルを、データに適応して推定すること、及び波向スペクトルを用いることにより、無指向性の高さスペクトルを計算することを含む。
【０００５】
実施形態は或る特定の他の特徴を含んでもよい。一実施形態では、その方法はさらに、完全な２次元方向スペクトルを計算することを含む。一実施形態では、波向スペクトルをデータに適応して推定することは、最尤法及び反復最尤法のうちの少なくとも１つを実行することを含む。一実施形態では、波向スペクトルをデータに適応して推定することは、反復固有ベクトル法を実行することを含む。一実施形態では、直交しない角度は２０度〜４０度の範囲内の角度を含む。一実施形態では、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、実質的に円形の音響ビームを含む。
【０００６】
別の実施形態は、概ね平坦な水面を有する流動媒体において波向スペクトルを測定するためのシステムである。そのシステムは、個々の音響ビームを生成し、それらのビーム内に概ね配置される１つ或いは複数のレンジセルからエコーを受信するための複数の探触子
を有するソナーシステムを含む。複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに対して、直交しない角度で生成される。そのシステムはさらに、プロセッサによって実行され、受信されたエコーからの波動に関連付けられる方向スペクトルを計算するように構成されるコンピュータプログラムを含む。そのコンピュータプログラムはさらに、方向スペクトルの計算の一部として感度ベクトルを利用する。感度ベクトルは、特定の深さにおいて特定のビームからのレンジセル毎に１つの要素を含む。
【０００７】
実施形態は、特定の他の特徴を含むようにしてもよい。一実施形態では、ソナーシステムは広帯域音響ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）を含む。一実施形態では、直交しない角度は約２０度である。一実施形態では、直交しない角度は２０度〜４０度の範囲内の角度を含む。一実施形態では、受信されたエコーはレンジセル内の流速に関係する。一実施形態では、探触子はフェーズドアレイ構成である。一実施形態では、コンピュータプログラムはさらに、非指向性の高さスペクトルを計算するように構成される。一実施形態では、コンピュータプログラムはさらに、クロススペクトル行列を計算し、クロススペクトル行列、方向スペクトル及び感度ベクトルから２次元方向スペクトルを計算するように構成される。
【０００８】
別の実施形態は、複数の音響探触子を用いて、流動媒体内の波向スペクトルを計算する方法である。その方法は、探触子から複数の音響ビームを生成することを含む。複数の音響ビームのうちの少なくとも１つは、複数の音響ビームのうちの少なくとも１つの他の音響ビームに対して、直交しない角度で配置され、そのビームは、その中に少なくとも部分的に配置されるレンジセルを有する。その方法はさらに、レンジセルのうちの２つ以上を含むアレイ内で生成されるエコーを受信すること、及び受信されたエコーを示す信号を処理することを含む。その方法はさらに感度ベクトルを格納することを含む。そのベクトルは、それらの信号に基づくデータ、及びレンジセルの配列形状から形成される。感度ベクトルは、音響ビーム内の種々の深さにおける少なくとも２つのレンジセルのための要素を含む。その方法はさらに、信号及び感度ベクトルに基づいて波向スペクトルを推定することを含む。
【０００９】
実施形態は特定の他の特徴を含むようにしてもよい。一実施形態では、直交しない角度は１０度〜８９度の範囲内の角度を含む。一実施形態では、直交しない角度は、２０度〜４０度の範囲内の角度を含む。一実施形態では、その方法はさらに、少なくとも部分的に方向スペクトルに基づいて、非方向スペクトルを計算することを含む。一実施形態では、受信されたエコーを示す信号の処理は、受信されたエコーに関連付けられる生データを復号化すること、各レンジセルの位置及び向きを計算すること、流動媒体内の流速の平均値を計算すること、及び線形分散関係を反転させることを含み、その線形分散関係は波の周波数、水深及び波数を関連付ける。一実施形態では、その方法はさらに、音響ビームのうちの少なくとも２つから少なくとも１つのレンジセルを選択することを含む、感度ベクトルを生成すること、選択されたレンジセル毎に複数の速度成分を計算すること、各速度成分に関連付けられる複数のフーリエ係数を計算すること、及び複数のフーリエ係数から感度ベクトルを計算することを含む。一実施形態では、方向スペクトルを推定することは、クロススペクトル行列Ｃを計算すること、それぞれ観測された周波数において方向スペクトルを計算すること、それぞれ観測された周波数において方向スペクトルを正規化すること、正規化された方向スペクトルを用いて波の電力スペクトルを計算すること、及び波の電力スペクトルを用いて、正規化された方向スペクトルをスケーリングすることを含む。一実施形態では、感度ベクトルは、流動媒体内の水面高及び水圧に対応する要素を含む。一実施形態では、方向スペクトルを推定することは、受信されたエコーを示す信号の最尤処理を含む。一実施形態では、方向スペクトルを推定することは、方向スペクトルから方向性雑音成分をフィルタリングすることを含む。一実施形態では、方向スペクトルから方
向性雑音成分をフィルタリングすることは、方向に依存する閾値未満のスペクトル部分を除去することを含む。一実施形態では、方向スペクトルの推定はさらに、反復最尤法（ＩＭＬＭ）処理を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に記載される詳細な説明は、本発明の或る特定の実施形態を対象にする。しかしながら、本発明は、特許請求の範囲によって規定され網羅されるような多数の異なる方法で実現することができる。この説明では、図面を参照するが、図面全体を通して類似の部品は類似の番号で示している。
【００１１】
垂直にプロファイリングするＡＤＣＰが知られており、商業化されている。１つのそのような計測器が、２００１年８月２８日に発行され、参照により本明細書に援用される米国特許第６，２８２，１５１号に開示されている。海上作業台船及び港口のような応用形態において、作業台船あるいは杭から横向きに、すなわち水平方向に調査することにより流速を測定できることが好都合であることがわかっている。
【００１２】
図１は、作業台船１０１に取り付けられた水平ＡＤＣＰシステム１００の一実施形態を示す概略的な側面図である。処理ユニット１０２及び探触子アレイ１０３は、作業台船１０１のライザ１０５に固定される。処理ユニット１０２は、ソナー信号を生成し、結果として戻されるエコー信号を受信して処理するように構成される、電子回路、ソフトウエア及び他の構成要素を備える。探触子アレイ１０３は、対応する複数の音響ビーム１０４を生成する１以上の探触子素子（図示せず）を含む。一実施形態では、探触子アレイ１０３は３つ以上の探触子素子を含む。ビーム１０４は、作業台船１０１から概ね水平な平面内に発射される。
【００１３】
図２は、図１に示されるシステムに類似であるが、作業台船１０１ではなく海上船１２０を含む、水平ＡＤＣＰシステム１００の別の実施形態を示す概略的な平面図である。他の実施形態では、探触子アレイ１０３は当該技術分野においてよく知られているような任意の態様で取り付けられることができる。
【００１４】
図３Ａは、図１に示されるシステム１００の探触子アレイ１０３の正面図である。１つの例示的な実施形態では、探触子アレイ１０３は、よく知られているＪａｎｕｓ構成の３つの探触子１４０を含む。一実施形態では、探触子アレイ１０３は、２０度のＪａｎｕｓ構成でビーム１０４を生成するように構成される２つの探触子１４０ａと、中央に１つのビーム１０４を生成するように構成される１つの探触子１４０ｂとを備える。一実施形態では、探触子１４０は３００ｋＨｚの信号を用いて動作する。３００ｋＨｚの実施形態では、処理ユニット１０２は、２００メートル範囲までの動作の場合に２Ｈｚまでのサンプリング速度を与えるようにしてもよい。他の実施形態では、探触子アレイ１０３は、２０°以外の角度で離されるビーム１０４を生成するように構成してもよい。さらに、或る特定の実施形態では、ビーム１０４は、２０°〜４０°の範囲内に入るように選択された角度だけ離されるようにしてもよい。一般的に、直交しない形状を用いることにより、測定可能なプロファイリング範囲が増加する。さらに、一般的に、ビームを近づけることにより、ビームが同じ潮流を測定している可能性が高くなる。
【００１５】
図３Ｂは、図３Ａに示される探触子アレイを含む図１に示されるソナーシステム１００の実施形態の平面図であり、３つの音響ビーム１０４の角度関係と、ビーム１０４内の個々のレンジセル１０７の相対的な位置とを示す。ビーム１０４のうちの２つは、局部的な座標系の中央軸２００に対して或る角度をなして探触子アレイ１０３から外側に発射される。中央のビーム１０４はこの軸２００に沿って発射される。
【００１６】
ここでは、或る特定の実施形態が３つのビーム探触子アレイ１０３に関して説明されるが、他の実施形態では、４つ、５つ、６つあるいは任意の他の適当な数のビーム１０４を有するようにしてもよく、その数は一般的にコストと、性能向上の収穫逓減とによって制限される。さらに、他の実施形態では、２つしかビームを用いないようにしてもよい。例えば、図３Ｃは、図３Ｂの探触子アレイに類似しているが、２つのビームを有する探触子アレイの別の実施形態の概念的な平面図である。
【００１７】
好ましくは、各探触子１４０は、狭く、概ね円形の、例えば０．７５°のビーム幅を生成し、それはペンシルビームと呼ばれる場合もある。そのような一実施形態では、探触子１４０は、適当な材料、例えばセラミックから形成され、細いビームを生成する１つの大きな素子を含む。ペンシルビームを用いて、準表面波軌道速度が測定される。ペンシルビームは、測定のための気泡群を必要としないだけでなく、ビームが水面と交差する必要もない。そのような実施形態における通常のセルサイズは約４メートルである。広いビーム幅、例えば２５°を有する扇形ビーム探触子は、波を破壊することによって生成される準表面気泡群によって支配される戻り信号を有する傾向がある。対照的に、ペンシルビームは、気泡群の分布によってではなくビーム形状によって主に決定される水面下の距離において散乱体を横切る傾向がある。
【００１８】
さらに、システム１００の実施形態では、種々の形状及びシステムの位置付けに対して一般化されるようにしてもよい。従って、システム１００の実施形態は、任意の直交しないビーム形状及び任意の傾斜した形状を含むようにしてもよい。例えば、一実施形態では、水平ＡＤＣＰは、或る任意の角度で傾けられるようにしてもよい。一実施形態では、中央軸２００は、流体の水面に対して概ね平行である水平軸に一致する。しかしながら、先に説明されたように、アレイ１０３は、水底タイプ、輪郭及び他の要因に応じて、水平軸に対して多少の角度をなして（「傾斜して」）取り付けられることもできる。そのような傾斜は、種々のビーム１０４内で種々のレンジセル１０７あるいはビンを選択し、感度ベクトルの計算において各レンジセルの正確な場所を用いることにより相殺され、そのことについては後にさらに説明される。さらに、アレイ１０３が係船索あるいは移動する作業台船に取り付けられるとき、アレイ１０３に回転が生じる可能性もある。回転の大きさに応じて、所与の１組のレンジセル内の波向スペクトル（ＷＤＳ）、波高及び流速の最終的な計算への影響が生じる場合もある。したがって、所望により、そのような動きを補償するために、補正アルゴリズムを適用することができる。
【００１９】
図４は、ＲＤ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｍｏｄｅｌ  ＢＢＡＤＣＰ  ＶＭ−１５０のような広帯域音響ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）のための電子処理ユニット１０２の１つの例示的な実施形態の機能ブロック図である。以下の説明は、このＡＤＣＰシステムを参照する場合があるが、ユーザの個々の応用形態及び必要性に応じて、狭帯域ドップラーシステムあるいは非ドップラー型システムのような他のモデル及びタイプのソナーシステムを本発明に適用するようにしてもよいことが理解されるであろう。
【００２０】
再び図４を参照すると、探触子アレイ１０３は、混合器ネットワーク１７２、ローパスフィルタネットワーク１７４、サンプリングモジュール１７６及びデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１７８を含む、電子回路アセンブリ１７０に電気的に接続される。音響信号の受信時に探触子アレイの素子１４０によって生成された信号は、送信／受信スイッチ１８０を介して、プリアンプ１８２及び受信アンプ１８４に供給され、それら増幅器は、電子回路アセンブリ１７０によってさらに処理するために信号を調整し、増幅する。ＤＳＰ１７８とともに符号送信器１８６及びパワーアンプ１８８を用いて、さらに送信／受信スイッチ１８０を介して、送信信号が探触子素子１４０に供給される。従って、送信及び受信両方の機能を果たすために、同じ探触子素子が用いられる。例示的な広帯域ＡＤＣＰシステムに関するさらに細かい点は、先に述べられた米国特許第Ｒｅ．３５，５３５に
含まれる。
【００２１】
システム１００の上記の実施形態は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるような、標準的なＲＤ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓあるいは他のそれに相当する水平ＡＤＣＰを利用し、特定のハードウエアを用いることや、変更を施す必要はないことが強調されるべきである。この事実は、一実施形態の設計及び製造の経済性を大きく高め、既存のＡＤＣＰシステムに対する改良を容易にすることができる。後に更に説明するように、水圧センサを用いて、平均水深が測定され、付加的に波高スペクトルが測定される。しかしながら、そのようなセンサは多くの場合にオプションとして市販のＡＤＣＰシステムにおいて利用することができるか、あるいは他の方法でＡＤＣＰに容易に集積されるか、取り付けることができる。Ｓｅｎｓｙｍ  Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｃ２２  埋込み型水圧センサセルのような、水中で用いるように構成される種々の市販のセンサをこの応用形態において用いることができる。
【００２２】
図５Ａは、システム１００において波向スペクトルを判定するための方法３００の一実施形態を示すフローチャートである。方法３００は機能３０２で開始し、初期処理が実行される。次に機能３０６では、クロススペクトル行列Ｃが計算される。ブロック３０８に進むと、それぞれ観測された周波数及び波数において方向スペクトルが計算される。この計算は、方向スペクトルを推定することを含んでもよい。次にブロック５０１において、それぞれ観測された周波数及び波数における方向スペクトルが正規化される。機能５０４に進むと、正規化された方向スペクトルを用いて、波の電力スペクトルが計算される。次に機能３０９において、正規化された方向スペクトルが、波の電力スペクトルを用いてスケーリングされる。
【００２３】
波測定システム１００の先に記載されたハードウエアの実施形態がそれぞれ、方法、もしくはアルゴリズムの３００を用いて、ＷＤＳ及び波高を計算するようにしてもよい。方法３００は通常、処理ユニット１０２のような、ＡＤＣＰ（あるいは他の選択されたソナーシステム）の既存の信号処理能力において実行されるソフトウエアの形で具現される。しかしながら、そのアルゴリズム、あるいはそのコンポーネントがファームウエア及び／またはハードウエアにおいて同じように具現できることは理解されよう。そのアルゴリズムは、感度ベクトルＨとともに、「センサ」データ（例えば、流速、波高及び／または水圧データ）を用いる、ＷＤＳを計算する一般的な方法に基づいている。感度ベクトルは、選択されたアレイ形状に一意的に関連する。以下の説明では、方法３００の理論的な概要を提供し、その後に、上記のシステム１００とともに用いられるアルゴリズムの動作の詳細な説明を続ける。先に援用された米国特許第６，２８２，１５１は、感度ベクトルＨ、クロススペクトル行列Ｃ及び波向スペクトルＤ（θ，ｆ）の導出に関するさらに詳細を提供する。
【００２４】
直交する形状を有する計測器とは異なり、直交しない形状を用いるとき、一般的に、測定された波毎に複数の解法が可能である。ビーム毎に観測された波のエネルギーを判定することは、波の方向を知ることに依存する。言い換えると、直交しないアレイの応答関数は方向に依存する。
【００２５】
直交しないビームによるこの方向性に関し、方法３００の実施形態は、方向スペクトルを計算し、この情報を用いて非方向スペクトルを決定することができる。方向の分布を用いることにより、各ビームにおいて発射される波エネルギーのベクトル成分を正確に決定することができる。
【００２６】
ＡＤＣＰソナーシステムは、中でも、角度をなす音響ビームのそれぞれの軸に沿って発射される瞬間流速成分を測定する。その際、流速は、相対するビーム間の速度差の平均値
として計算されることができる。角度をなすビームに沿った一連の位置は、異なる水平な場所に対応するので、ビーム内の１組のレンジセルが空間アレイを構成する。波の方向に関する有用な情報が流速のクロススペクトル（例えば、アレイ共分散行列）に含まれる。しかしながら、音響ビーム形状に関連するいくつかの他の要因も考慮されるべきである。
【００２７】
第１に、軌道速度の大きさが、測定の深さ及び波の周波数の関数として減衰する。所与の周波数において、軌道波速度は深さとともに減少する。高い周波数の軌道波速度は、低い周波数の軌道波速度よりも、深さとともにより急速に減速する。それゆえ、より短い波の場合、水面にかなり近い測定値のみが実用的である。
【００２８】
第２に、ソナーによって測定される速度は、垂直及び水平波速度の両方を線形に組み合わせたものであり、その間の相対的な重み付けは、波の方向及び水深両方の関数である。方向性の波スペクトルを決定するために、波の速度のビームに沿った成分及び水面の高さを関連付ける数学的な関係が必要とされる。
【００２９】
実用的には、それぞれが或る特定の向き、周波数、及び波数を有する微小の均一な平面波の線形の重ね合わせであるかのように、ランダムな波動場が取り扱われることができる。非線形な影響を無視すると、分散関係を用いて、これらの平面波が、周波数及び波数を関連付ける線形分散関係を満たす１組に制約される。平均流速が存在しないとき、微小の平面波のための線形分散関係は以下の式によって表される。
【００３０】
【数１】
2005265845.tif 000003
ｆは、波の周波数（ヘルツ）であり、
ｇは、重力加速度定数（約９．８ｍ／ｓ2）であり、
ｈは、水深（メートル）であり、
ｋ＝２π／Ｌは、波数の大きさ（ラジアン／メートル）であり、
Ｌは、波長（メートル）である。
安定した均一な流速ｕcを考慮し、水底に対して固定された観測作業台船を仮定すると、線形分散関係は幾分変更された形式を有する。
【００３１】
【数２】
2005265845.tif 000004
ｆobsは、観測された波の周波数（Ｈｚ）であり、
ｆは、流速（式１から）とともに動く座標系において観測されることになる固有の波の周波数であり、
ｋは、水に対して波が動く方向に向けられる、波の頂点に対して垂直な波数ベクトル（ラジアン／ｍ）であり、
βは、潮流が移動している方向の方位角であり、
θは、波数ベクトルｋの方向と反対（水に対して波が到来する方向）の方位角であり、
ｕcは、流速ベクトルであり、
ｕc＝｜ｕc｜は、流速（ｍ／ｓ）である。
【００３２】
なお、（ａｋ）2次及びそれ以上の次数の速度への寄与は無視されることに留意されたい。ただし、ａは波の振幅の指標である（例えばａｋは波の勾配に比例する）。分散関係の（ａｋ）2次の項も破棄される。対象の波は、スペクトルピークに近い波であり、それは控えめに見ても０．１未満の勾配を有するので、これらの補正は１％未満である。
【００３３】
波向スペクトルの場合、従来から行われている方法は、線形分散関係を用いて、波数の大きさｋを独立変数として推定することである。それゆえ、波向スペクトルＤ（θ，ｆ）は２次元の方位角−周波数空間内の微小平面波の電力スペクトル密度を表す。
【００３４】
一般的に、波向スペクトルを測定するための計測器は、水面あるいは水面下にある単一の点（「トリプレット」）あるいは一連の点において速度、水圧及び／または水面高測定値の組み合わせを利用することができる。線形波理論を用いて、方向波スペクトルＤ（θ，ｆ）をこれらの測定値に関連付けることができる。測定値の時系列のフーリエ変換がたすき掛けされ、クロススペクトル係数が生成され、それは、それぞれ観測された周波数におけるクロススペクトル係数行列Ｃに配列されることができる。いわゆる「前方相関」は、未知の波方向スペクトルＤ（θ，ｆ）を観測可能なアレイ共分散行列Ｃ（ｆobs）（種々のソナーレンジセル間の速度クロススペクトルの行列）に関係付ける理論モデルである。前方相関は以下の形をとる。
【００３５】
【数３】
2005265845.tif 000005
ｆobs＝ｆobs（ｆ）は、式２によって与えられるマッピングであり、
Ｈは、感度ベクトル（線形波理論からわかる）であり、
Ｈ+は、Ｈの複素共役転置（エルミート共役）である。
【００３６】
【数４】
2005265845.tif 000006
【００３７】
なお、感度ベクトルＨの形式は、ＡＤＣＰビーム内のレンジセルから選択されるレンジセルによって形成されるアレイの形状に関連付けられる。或る特定のビーム及び深さからそれぞれ選択されたレンジセルは、Ｈの要素に対応する。感度ベクトルＨは、付加的に、各ビームにおいて音響的に測定される水面高、及び／または水圧測定値に対応する要素を含むこともできる。
【００３８】
なお、流速がある場合に、各ｆobsにマッピングされる２つ以上のｆが存在することができ、その場合にＣは、そのようなマッピングの和である。周波数を無効にすることは波数の方向を反転することに等しいので、ｆobsが大きな流速に起因して負になるときに、θの代わりにθ＋πを用いるべきである。
【００３９】
再び、前方相関（式３）は、波方向スペクトルを測定する任意のアレイ或いはトリプレットに当てはまる。測定されたクロススペクトル行列Ｃから波方向スペクトルを決定するための前方相関の反転は、無限次元の物体（Ｄ）が１組の有限次元の観測（Ｃ）を用いて推定されることになるという点で、著しく複雑になる。それゆえ、その問題はどうしても難しいものになるので、固有の解法は存在しない。反転問題に対処するために、複数の異なる解決技法が開発されている。方法３００の実施形態は、最尤法（ＭＬＭ）及び反復最尤法（ＩＭＬＭ）のようなデータに適応した方法を適用することが好ましく、その一般的な適用形態及び動作は、信号処理の技術分野においてよく知られている。或る特定の実施形態が、ＭＬＭ及びＩＭＬＭ技法に関して説明されるが、他の実施形態が、個々の応用形態に応じて、反復固有ベクトル（ＩＥＶ）法のような技法を適用できることに留意されたい。
【００４０】
図５Ｂは、図５Ａの方法をさらに詳細に示すフローチャートである。機能３０２で開始するとき、さらに処理するために、センサから得られた生データをまとめて準備するための初期データ処理が実行される。次に機能３０６では、観測された周波数ｆobs毎にクロススペクトル行列Ｃが計算される。機能３０８ａに進むと、観測された周波数のための波方向スペクトルが推定される。一実施形態では、この推定は、ＭＬＭ機能３０８ａを用いることを含む。機能３０８ｂに進むと、観測された周波数のための波方向スペクトルが、ＩＭＬＭ機能を用いて推定されることができる。次に判断ブロック５０２では、観測された周波数のための波方向スペクトルが全く推定されなかった場合には、方法３００はブロック５０３に進む。ブロック５０３では、次に観測された周波数が選択され、方法３００はブロック５０８ａに戻る。処理されるべき、さらに別の観測された周波数が残っていない場合には、方法５０２は機能５０４に進む。次に機能５０４では、非方向性の波高スペクトルが方向分布を用いて計算される。機能３０９に進むと、機能３０８ａ及び３０８ｂから導出された推定値から、完全な２次元波方向スペクトルが構成される。機能３０２、３０６、３０８ａ、３０８ｂ、５０４及び３０９は、それぞれ、図６、７、８、９、１０及び１１を参照してさらに詳細に以下に説明される。
【００４１】
実施形態によっては、方法３００の動作、或いはイベント、及びここで説明される全ての他の方法は、場合によっては、任意の適当な順序で実行されても、追加されても、組み合わせられても、全て一緒に省かれてもよい（例えば、その方法を実施するために全ての動作あるいはイベントが必要であるとは限らない）。さらに、複数の動作あるいはイベントが順番にではなく、並列に同時に実行されるようにしてもよい。さらに、特定の計算が記載されるが、これらの実施形態において説明される手法の代わりに、他の数学的な手法あるいは技法を用いることもできる。
【００４２】
図６は、方法３００の初期処理機能３０２をさらに詳細に示すフローチャートである。ブロック３１０で開始すると、既知のアルゴリズムから選択された１つのアルゴリズムの
ような１つのように、適当な復号化アルゴリズムを用いて、センサから得られた生データが復号化される。次にブロック３１２では、各音響ビームのレンジセルの位置及び向きが計算される。ビーム１０４内の各レンジセル１０７は、個別のセンサとして取り扱うことができる。一実施形態では、これは、参照によりここで援用される、「Measuring Wave Height and Direction Using Upward-Looking ADCPs」（Terray, E., et al, IEEE Oceans
1997, August, 1997）に記載されるような音響後方散乱強度において補間されるピーク位置を用いて実現される。他の実施形態では、当該技術分野において知られている他の方法を用いることができる。ブロック３１４に進むと、復号化された生データが処理され、「外れ値」、すなわち相関が低いデータ、あるいは流動媒体（例えば海洋生物）内に存在する他の異常に関連付けられるデータが特定される。次にブロック３１６では、ブロック３１４において特定された「不良」データが、「良好な」データ値を補間することによって導出されたデータで置き換えられる。ブロック３１８に進むと、流速（及びオプションでは水深及び水圧）の平均値が、ブロック３１６のデータ置換え過程から生じる処理済みのデータから計算される。次にブロック３１９では、各センサのレンジセル１０７のために、水底より高いセンサ高度及び水深の配列値が計算される。一実施形態では、この計算は、ｘ及びｙ水底勾配あるいは測深テーブルの形のユーザ入力データに基づいており、潮流成分（全てのセルに共通である）が平均水圧センサあるいは水面高データから計算される。
【００４３】
図７は、方法３００の機能３０６をさらに詳細に示すフローチャートであり、クロススペクトル行列の計算を含む。図１０を参照して説明されたＳHの計算のような、ブロック３３６で開始するとき、特定のレンジセルからのデータ、水面高データ、あるいは水圧センサデータが選択される。しかしながら、ブロック３３６において選択されたデータは、図１０のブロック３２２のＳHの計算の一部として選択されたものと同じにしてもよいし、あるいは異なるものとしてもよい。より短い波の方向を決定するには、より小さなレンジセルが必要とされることがあるが、波高スペクトルを計算する場合の雑音レベルを低減するために、レンジセルが、より大きなレンジセルに結合されるようにしてもよい（速度測定値を平均することによる）。
【００４４】
ブロック３３８に進むと、選択されたデータは再び、デトレンド操作、及びウィンドウ操作される。適当なアルゴリズムのさらに細かい点は、例えば、参照によりここで援用される、Oppenheim, A. V., R. W. Schafer, J. R. Buck Discrete-Time Signal Processing, Englewood Cliffs, (2nd Ed. 1999)に説明される。次にブロック３４０では、ウィンドウ操作及びデトレンド操作の後に、複素スペクトルが計算される（高速フーリエ変換（ＦＦＴ）あるいは別の相当する技法を用いる）。ブロック３４２に進むと、観測された周波数（ｆobs）毎にスペクトル係数の全ての取り得る対がたすき掛けされる。ブロック３４２において、このたすき掛けを実行するために、各対からの１つのスペクトル係数が最初に複素共役される。次にブロック３４３では、観測された周波数毎のクロススペクトル行列が時間平均され（及び／または、例えばデシメーションによって周波数ビン内で）、観測された周波数の関数としてクロススペクトル行列が生成される。
【００４５】
図８は、方法３００の機能３０８ａをさらに詳細に示すフローチャートであり、最尤法（ＭＬＭ）を実行することを含む。先に述べたように、ＭＬＭは、波方向スペクトルＤ（θ，ｆ）を観測可能なクロススペクトル行列Ｃ（ｆobs）に関連付ける、いわゆる「前方相関」を解くための方法を提供する１つのアルゴリズムである。
【００４６】
ブロック３４４で開始すると、ＭＬＭが実行され、特異値分解（ＳＶＤ）技法を用いて、観測された周波数毎にクロススペクトル係数行列Ｃが反転される。ＳＶＤ技法は、信号処理技術の当業者にはよく知られており、従ってここではさらに詳しくは説明しない。ブロック３４５に進むと、波の周波数（ｆ）及び波数の大きさ（ｋ）の値が、線形分散関係
の数値反転を用いて計算される（先の式２を参照）。ブロック３４５は、図７に示されるブロック３２９と同じようにして実行されるようにしてもよい。しかしながら、異なるセットのレンジセル１０７を用いることにより、これらの各ブロックにおいてスペクトルを生成するようにしてもよい。
【００４７】
次にブロック３４６では、アレイ特有の感度ベクトルＨが計算される。或る特定の音響ビームから選択された各レンジセル及び深さがＨの要素に対応する。なお、Ｈは、オプションの水面高及び水圧測定値に対応する要素も含むようにしてもよい。線形理論及び線形分散関係（先の説明を参照）を仮定し、計測器雑音を無視すると、感度ベクトルＨは平面波に対して測定された理想的な応答を表す。線形波モデルは以下の式を予測する。
【００４８】
【数５】
2005265845.tif 000007
ηは、水面高（ｍ）であり、
ｐは、水圧（パスカル）であり、
ρは、水の密度（ｋｇ／ｍ3）であり、
ｇは、重力加速度（ｍ／ｓ2）であり、
ｕは、水平速度ベクトル（ｍ／ｓ）であり、
ｗは、垂直速度の成分（ｍ／ｓ）であり、
ａは、平面波の半振幅（ｍ）であり、
ｈは、水深（ｍ）であり、
ｘは、水平位置ベクトルであり、
ｚは、垂直位置（水底において−ｈ、水面においてｏ）（ｍ）である。
上記の正弦波の時間におけるフーリエ変換がデルタ関数線形スペクトルであり、その下の面積が個々のフーリエ係数である（波形符号によって示される）。
【００４９】
【数６】
2005265845.tif 000008
ｘ＝０における水面変位のフーリエ係数は、平面波の方向あるいは周波数とは無関係に、単にａ／２であることに留意されたい。この係数を２乗した大きさは、波高の非方向性の電力スペクトルである。それゆえ、種々の測定のフーリエ係数が２／ａだけスケーリングして、単位スペクトル密度の平面波への応答が表される。
【００５０】
速度測定値の場合、Ｈの各要素は、レンジセルの場所におけるビームの方向の速度の成分に対応する、スケーリングされたフーリエ係数として計算される。
【数７】
2005265845.tif 000009
【００５１】
なお、ビーム単位ベクトルｂnの水平成分がｘnと同じ方向を指すように、ｘ原点がソナーシステム１００（好ましい実施形態ではＡＤＣＰ）において選択されるべきであることに留意されたい。ｋ、ｆ、及びｆobsの間のマッピングは、線形分散関係及びその反転によって与えられ、それらは数値計算される。
【００５２】
ＡＤＣＰにおける付加的な水圧測定値の場合、Ｈの対応する要素は以下の通りである。
【数８】
2005265845.tif 000010
一旦、ブロック３４６において感度ベクトルＨが計算されたなら、方法３００はブロック３４８に進み、以下のＭＬＭ推定量Ｄ（θ）を用いて、正規化されていない波方向スペクトルＤ（θ）が（考慮中の特定の観測された周波数に対して）計算される。
【００５３】
【数９】
2005265845.tif 000011
ただし、Ｈ+は感度ベクトルＨの複素共役転置であり、Ｃ-1はＣの逆行列である。
【００５４】
次にブロック３５０では、波方向スペクトルＤが以下のように正規化される。
【数１０】
2005265845.tif 000012
【００５５】
ブロック３５１に進むと、波の周波数（ｆ）及び波数の大きさ（ｋ）の値が、線形分散関係の数値反転を用いて計算される（式２を参照）。
【００５６】
図９は、方法３００の機能３０８ｂをさらに詳細に示すフローチャートであり、反復最尤法（ＩＭＬＭ）を実行することを含む。機能３０８ｂはオプションであり、複数の実施形態によれば、１以上の観測された周波数でバイパスされるようにしてもよい。方法３００の機能３０８ｂはブロック３５２において開始し、先行する機能３０８ａにおいてそれぞれ観測された周波数毎に導出され、正規化された波方向スペクトルＤnで初期化することを含む（なお、波方向スペクトルＤの下付き文字「ｎ」は、反復数を表すために用いられる指標である。それゆえｎ＝０であるとき、Ｄn＝ＤMLMである）。次にブロック３５４では、以下の関係にしたがって、前方相関（上記の式３）を用いて、反復クロススペクトル係数行列Ｃnが計算される。
【００５７】
【数１１】
2005265845.tif 000013
【００５８】
次にブロック３５６では、以下のように、行列Ｍを導出するために、Ｃnの計算された値を用いて、方法３００のＭＬＭ機能３０８ａが再び繰り返される。
【数１２】
2005265845.tif 000014
【００５９】
Ｋは、以下のように選択される。
【数１３】
2005265845.tif 000015
【００６０】
ブロック３５８に進むと、指標ｎが１だけインクリメントされ（すなわちｎ＋１）、以下の関係にしたがって方向スペクトルが計算される。
【数１４】
2005265845.tif 000016
ただし、ωRは緩和パラメータであり、本実施形態では約１．１であるように選択される。
【００６１】
ブロック３６０に進むと、負の値を０にすること（あるいは類似の手順）によってスペクトルが固定され、Ｄn+1が確実に０以上になるように保証する。次にブロック３６２では、スペクトルが以下のように再正規化される。
【数１５】
2005265845.tif 000017
【００６２】
ブロック３６４に進むと、収束条件が計算される。なお、アルゴリズム３００の一実施形態では、収束条件は、それぞれ観測された周波数に適用されるようにしてもよい（例えば、所与の観測された周波数の場合にＩＭＬＭ収束条件を満たす際に、次に観測された周波数に対してＭＬＭ機能３０８ａ及びオプションＩＭＬＭ機能３０８ｂが再び実行される）。例示的な１組の判定条件は以下の通りである。
【００６３】
i．  他の停止判定条件を満たすことなく、反復の一定の最大数（通常３〜５）が行われた。
ii．  スミアの生じたスペクトル積分の平均絶対差｜∫（Ｍ（Ｄn）−ＤMLM）ｄθ｜が、以前の反復時よりも大きい。
iii．  測定されたクロススペクトル行列及び前方相関クロススペクトル行列の相対的な二乗差が所定の閾値未満である。
【００６４】
【数１６】
2005265845.tif 000018
又は、
iv．  測定されたクロススペクトル行列及び予測されたクロススペクトル行列Ｃ（式２４）の相対的な差が以前の反復時よりも大きい。
【００６５】
先に列挙された収束条件は、判定条件のうちのいずれか１つ（あるいは複数）が満たされた場合に、（解析中の観測された周波数に対して）それ以上の反復が行われないように適用される。全ての観測された周波数が解析されたときに、その方法は、図１０に示される方法ブロックに続く。
【００６６】
先に述べられたように、ここで記載される収束条件は一実施形態にすぎず、アルゴリズムの具体的な応用形態及びユーザの要求に応じて、ＩＭＬＭ反復過程を終了するための他の判定条件あるいは仕組みが代わりに用いられるようにしてもよい。
【００６７】
図１０は、方法３００の機能５０４をさらに詳細に示すフローチャートであり、ＳHを計算することを含む。ブロック３２２で開始するとき、或る特定のセンサ、例えばビーム１０４内のレンジセル１０７からデータが選択される。そのデータは、水圧測定値を含むようにしてもよい。一実施形態では、このデータは、音響ビーム１０４内の或る特定のレンジセル１０７からの速度データを含む。このデータは、図７のブロック３３６において選択されたデータとは異なる場合もある。一実施形態では、レンジセル１０７は、水面、水中の物体などの境界を避けるように選択される。計測器が取り付けられる作業台船は、より近くの測定値に影響を与える場合があるので、一実施形態では、レンジセル１０６は、計測器が取り付けられている作業台船から遠隔した要素で疎らなアレイを生成するように選択される。オプションでは、水面高及び水圧データも選択される。方法３００の一実施形態は感度ベクトルＨ内に波高及び水圧測定値を含むことができるが（図８に関する説明を参照）、ＷＤＳを計算するために、そのような測定値は不要であることが強調されるべきである。しかしながら、そのような測定値を用いることにより、一般的に、そのシステムによって提供される推定値の相対的な精度が高められる。
【００６８】
次に図１０のブロック３２４では、スペクトルの漏れを低減するために、選択された速度、水面高及び水圧データが、最小二乗で近似することによって決定されるトレンドラインを減算することによりデトレンドされ、バートレット窓のような時間の窓関数を用いて乗算することにより窓操作される。ブロック３２６に進むと、システム１００は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、その結果の大きさを二乗することにより、１組のデータ毎に電力スペクトルを計算するが、他の方法を用いることもできる。次にブロック３２８では、電力スペクトルが平均され、周波数ビンに入れられる（いわゆる「デシメーション」）。
【００６９】
ブロック３２９に進むと、波の周波数（ｆ）及び波数の大きさ（ｋ）の値が、線形分散
関係の数値反転を用いて計算される（式２を参照）。ブロック３３０に進むと、式１５を用いて、「センサ」毎に伝達関数Ｔ（ｆobs）＝｜Ｈ｜-2が計算される。なお、本明細書の関連で用いられる用語「センサ」は、１）各音響ビームにおいてレンジセル１０７毎に得られる流速、２）音響ビーム毎に得られる水面高測定値（上記のブロック３１２における水面高の計算を参照）、あるいは３）水圧センサのいずれかを指していることに留意されたい。これらのセンサの組み合わせを用いて、波高スペクトルを計算することもできる。
【００７０】
複数のさらに考慮すべき事柄が、一般化されたビーム形状、例えば直交しない、傾斜した形状を用いる計算に当てはまる。局部的な軌道速度から水面変位への伝達関数は、各センサの深さ及び向きに依存する。従って、センサから独立した伝達関数は、方向に関して依存性がある。さらに、センサ毎の局部的な波数は、全水深に依存する。水平アレイは、水底測深の変化を測ることができるので、波数をセンサ間で変化させることができる。さらに、波への流速の影響は方向に関して依存性がある。したがって、波数は、平均流速の存在時にセンサ毎に個別に決定されるべきである。
【００７１】
一実施形態では、各音響ビーム内のレンジセル１０７毎に得られた流速を用いて、波高スペクトルが計算される。垂直ＡＤＣＰシステムとは異なり、水平ＡＤＣＰシステム１００では、各音響ビーム内のレンジセル１０７毎に得られた各流速は、方向依存性を有することができる。波高スペクトルのこの依存性を相殺するために、対応する波の周波数において正規化された方向スペクトルを、波の方向にわたって積分することにより、感度ファクタが計算される。波数への平均流速の影響も方向に関して依存性があるので、波数は方向に関して依存性があり、この積分内に含まれるべきである。
【００７２】
軌道速度から水面変位に変換するための式の導出は、以下のように一般化される。
ｋ＝波数
Ｈ＝ピーク間の波高
ω＝ラジアン周波数
ｚ＝水底より上のセンサ高度
ｈ＝水深
Ｅ＝仰角
Ｊ＝ジェーナス角
Ａｚ＝方位角
Ｔ＝時間
η＝水面変位スペクトル
i＝ビーム指標
ｕ＝伝搬方向における水平軌道速度成分
ｗ＝垂直軌道速度成分
ｖ＝ビーム径方向速度
Ｕ＝伝搬方向における水平軌道速度成分のＦＦＴ
Ｗ＝垂直軌道速度成分のＦＦＴ
Ｖ＝ビーム径方向速度のＦＦＴ
【００７３】
水面変位及び水平／垂直速度は、線形波理論に基づくことができる。
【数１７】
2005265845.tif 000019
【００７４】
これは、ラジアン周波数ωを波数ｋあるいは波長に関連付ける。分散関係は、線形波の場合に、空間伝搬を時間伝搬に関連付ける。
ａ（ω）を単一の独立した方向から到来する均一な平面波であると仮定すると、
η（ω）＝ａ（ω）である。
方向性の波の場合、
ａ＝単一の波の周波数及び方向の場合の水面振幅であり、
Ｄ＝電力単位の正規化された方向スペクトルであり、
Ｓ＝非方向性の水面振幅であり、
【００７５】
【数１８】
2005265845.tif 000020
所定の周波数ωの場合の非方向性のスペクトルの電力は、全ての方向から到来する、ωにおける方向スペクトルの電力に等しい。
【００７６】
一般的に、この変換のために波は線形であるものと仮定される。これは、波が線形に独立した周波数の重ね合わせとして取り扱われることができることを意味する。数学的には、これは、ＦＦＴを用いて、周波数領域に移行し、その後、周波数毎に個別に問題を解決することができることを意味する。これは一般的に許容される単純化である。
【数１９】
2005265845.tif 000021
【００７７】
次に、ビームへの水平及び垂直速度の射影が決定され、位相がほとんど影響を及ぼさないように二乗される。これは、方向依存性の形状に適用することができる一般的な事例である。
【数２０】
2005265845.tif 000022
【００７８】
次に、ビーム速度が合計される。これは、各レンジセル１０７及びビーム１０４がその自らの場所及び向きを有するセンサ速度に対して一般化される。
【数２１】
2005265845.tif 000023
【００７９】
この式は、探触子アレイ１０３の特定の実施形態の場合に解かれる。例えば、以下の導出は、中央ビーム１０７と、中央ビーム１０７に対して２０°の角度をなす他の２つのビームとを有する３つのビームアレイ１０３に当てはまる。
θ＝波の方向
Ｅi＝９０、極角度は全て同じである
Ａｚ1＝２０、方位角
Ａｚ2＝−２０
Ａｚ3＝０
【数２２】
2005265845.tif 000024
【００８０】
Ｕに代入すると、
【数２３】
2005265845.tif 000025
【００８１】
全ての方向にわたって積分すると、
【数２４】
2005265845.tif 000026
【００８２】
ａ（ω，θ）に代入すると、
【数２５】
2005265845.tif 000027
【００８３】
θ、波の方向は離散的な値ではなく、分布Ｄ（ω，θ）である。既に方向スペクトルについて解いているので、周波数帯ω毎に、正規化された（∫θ［Ｄ（ω，θ）ｄθ＝１）方向分布を有する。こうして、θにわたって積分することにより厳密な結果が得られる。
【００８４】
図１のように、中央ビーム１０７のいずれかの側に、角度Ａｚのビーム１０７を有する３つのビーム形状に対して一般化するとき、機能３０２〜３０８ｂにおいて計算される方向スペクトルＤを用いるこのファクタは以下の通りである。
【数２６】
2005265845.tif 000028
【００８５】
この方向ファクタが計算された後に、各音響ビーム内のレンジセル１０７毎に得られた流速毎の伝達関数が、その方向ファクタによって割られて、方向依存性のため非方向性スペクトルを補正する。
【００８６】
次に、ブロック３３４では、以前に計算された全ての電力スペクトルが組み合わせられて、１つの波高スペクトルＳHが生成される。一実施形態では、最小二乗近似技法及び伝達関数Ｔ（ｆobs）が用いられる。他の実施形態では、伝達関数とともに、重み付け平均技法を用いることができる。
【００８７】
図１１は、方法３００の機能３０９をさらに詳細に示すフローチャートであり、１）観測された周波数依存波方向スペクトルを再正規化し、２）０以外の流速の存在を判定し、３）０以外の流速の場合に、周波数を再マッピングし、ヤコビアン演算子を適用することにより、完全な２次元の波方向スペクトルを構成することを含む。
【００８８】
ブロック３７０で開始するとき、Ｄ（θ，ｆobs）の再正規化がＳHによって乗算することにより、以下のように実現される。
【数２７】
2005265845.tif 000029
【００８９】
次にブロック３７２では、流速の大きさが検査され、流速が存在しない（大きさが０である）場合には、それ以上解析あるいは計算は実行されず、Ｄ（θ，ｆobs）の計算が完了する。しかしながら、０以外の流速が存在する場合には、機能３０９はステップ３７４に進み、式２を用いて、規則的な格子への補間を行うか、あるいは歪んだ周波数軸（すなわち、観測された周波数では非線形で、固有の周波数では線形）でプロットを行うかのいずれかによって、周波数が再マッピングされ、ヤコビアンＪが以下のように適用される。
【００９０】
【数２８】
2005265845.tif 000030
一実施形態では、機能３０９は、波の電力スペクトルを計算すること、及び波の電力スペクトルを用いて、正規化された方向スペクトルをスケーリングすることを含むようにしてもよい。
【００９１】
２０°だけ離隔したビーム１０４で水平に構成される３つのビームアレイ１０３を含むシステムのような、システム１００の実施形態では、ビーム形状の結果として、中央ビーム１０４に垂直な速度成分に対して低感度になる。結果として、方向スペクトルの背景雑音レベルが不均一になる。したがって、平面を形成するのではなく、雑音レベルのグラフは波の方向にわたって変化し、雑音が一連のピークを規定するようになる。これらのピークの結果として、方向スペクトルのグラフ表現においてアーティファクトが生じる可能性がある。一実施形態では、方向依存性の閾値によってその値を低減することによって、方向スペクトルがフィルタリングされる。このフィルタリングは、信号処理の一部にすることができるか、あるいは単にデータのグラフ表示に適用されることができる。
【００９２】
ここで述べているように、本発明の波方向測定システムはさらに、流動媒体内の波に関連付けられるかなり大きな波高を計算することができる。具体的には、かなり大きな波高Ｈs（メートル単位で測定される）は、対象の周波数範囲、通常０．０３〜０．５Ｈｚにわたって波高スペクトルＳH下の面積の平方根の４倍として計算される（波高スペクトルの導出のための図１１の先の説明を参照）。この周波数範囲は、潮流の変動あるいは雑音ではなく、波によって支配されるものと予想される。この計算は、ＡＤＣＰのプロセッサを用いて、かつ／または外部のコンピュータ上での事後処理タスクとして同じように実行される。
【００９３】
上述の特定の実施形態は水平ビーム形状を含むが、システム１００の他の実施形態では、方法３００を変更することなく、異なるビーム形状を含んでもよいことは理解されよう。例えば、システム１００は傾斜したビーム１０４を含むこともできる。一実施形態では、システム１００は、概ね水平なビーム１０４を生成し、例えば、水平から１°〜２°内のビームを生成する。別の実施形態では、システム１００は、適度な量だけ傾斜した水平なビーム１０４を生成するように構成される。例えば、ビーム１０４は、水平から１°〜４５°の範囲内で傾けられることができる。別の実施形態では、システム１００は、援用される米国特許第６，２８２，１５１号に記載されるような上方観測ＡＤＣＰを含むことができる。
【００９４】
システム１００の実施形態は種々の構成に対応することができる。１つの例示的な実施形態では、３つの構成に対応する。１つの通常の構成は、流速プロファイル測定範囲と波の性能（高い周波数カットオフ）とのバランスをとることができる。１つの例示的で、通常の構成は、例えば、２．０Ｈｚデータ速度、４メートルビン、及び２００メートル公称範囲の広帯域モードを含むことができる。別の構成は、適度な波の性能（高い周波数カットオフ）を保持しながら、流速プロファイル測定範囲を最大にするようなロングレンジ構成にすることができる。１つの例示的な高精度の構成は、１．４Ｈｚデータ速度、８メー
トルビン、２８０メートル公称範囲のロングレンジモードを含むことができる。第３の構成は、良好な波の性能を与えながら、ＡＤＣＰに近い距離において流速プロファイル測定分解能を最大にするような高分解能構成にすることができる。１つの例示的な高精度構成は、２．０Ｈｚデータ速度、２メートルビン、及び１００メートル公称範囲の広帯域モードを含むことができる。これらのモードは、ユーザが選択することができるか、あるいは取り付け及び選択された応用形態に関連する所定の判定条件に基づいて自動的に決定されることができる。
【００９５】
図１２は、図１に示されるようなシステムの一実施形態によって計算される１つの例示的な出力方向スペクトルをグラフで示す。その図は、波の強度、方向及び周波数分布の２次元形式の極図表において波方向スペクトルを示す。
【００９６】
水平ＡＤＣＰシステム１００の実施形態は数多くの利点を有する。商港、港湾あるいは海上のユーザの場合、その計測器から十分な範囲において、水面近くの潮流及び波を測定することができる。さらに、ＡＤＣＰは、動作の方向から安全に外れた作業台船ライザに取り付けられることができ、作業台船から離れる方向に向けられ、ライザの存在によって影響を及ぼされない範囲から波及び潮流の情報を与えることができる。さらに、水平に取り付けられるシステム１００は、そのような計測器は垂直方向において波のエネルギーが指数関数的に減衰することによる、より小さなレンジセル分解能に制限されないので、垂直ビームの計測器よりも大きなレンジセル（４メートルレンジセルで３００ｋＨｚ）を有するであろう。レンジセルが大きいことにより、非常に分散が小さな測定になる（１５ｍｍ／ｓ）。分散が小さいことにより、信号対雑音比及び方向性能が改善される。また、水平なアレイの空間的なアパーチャが大きくなり、それは方向の鋭さを直に改善する。さらに、多種多様なレンジセルを組み合わせることにより、広範囲に及ぶ疎らなアレイが与えられ、対象の波長における空間的なエイリアシングが排除される。
【００９７】
近海領域（浅い水深）では、軌道速度は一般的に、垂直方向よりもはるかに大きな水平方向の動きを含む。それゆえ、水平に取り付けられたドップラー流速分布計は、より直接的に波の軌道を測定するであろう。これは信号対雑音比を高め、それにより方向性能が改善される。
【００９８】
これまでの詳細な説明は、種々の実施形態に適用されるような本発明の新規の特徴を図示し、説明し、指摘してきたが、本発明の精神から逸脱することなく、例示される装置あるいは過程の形態及び細部において種々の省略、代替及び変更が当業者によってなされることができることは理解されよう。いくつかの特徴が他のものとは個別に利用あるいは実施されることができるように、本発明が、本明細書に記載される特徴及び利点の全てを提供しない形態において具現される場合もあることは理解されよう。本発明の範囲は、これまでの説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲に相当する意味及び範囲内に入る全ての変更は、その範囲内に含まれるべきである。
【００９９】
［関連特許出願］
本特許出願は、いずれも参照により本明細書に援用される、２００４年３月１５日に出願の米国仮特許出願第６０／５５３，２９６号及び２００４年６月１日に出願の米国仮特許出願第６０／５７６，２７８号の恩典を要求する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】作業台船を含む水平ＡＤＣＰシステムの一実施形態を示す概略的な側面図である。
【図２】図１に示されるシステムに類似であるが、作業台船ではなく水上船を含む、水平ＡＤＣＰシステムの別の実施形態を示す概略的な平面図である。
【図３Ａ】図１に示されるシステムの探触子アレイの正面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの探触子アレイの概略的な平面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂのアレイに類似であるが、２つのビームを有する、探触子アレイの別の実施形態の概略的な平面図である。
【図４】図１に示されるようなＡＤＣＰのための電子回路の１つの例示的な実施形態の機能ブロック図である。
【図５Ａ】図３に示されるＡＤＣＰシステム内などで波向スペクトルを判定する方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】図５Ａの方法をさらに詳細に示すフローチャートである。
【図６】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示すフローチャートである。
【図７】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示す、図６から続くフローチャートである。
【図８】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示す、図７から続くフローチャートである。
【図９】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示す、図８から続くフローチャートである。
【図１０】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示す、図９から続くフローチャートである。
【図１１】図５Ｂの方法の一部をさらに詳細に示す、図１０から続くフローチャートである。
【図１２】図１に示されるようなシステムの一実施形態によって計算される１つの例示的な出力方向スペクトルを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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